来说，例如为氧化镁或是其他氧化金属的PMA增强层(图中未示)可以插入于自由层26与覆盖层27之间，来进一步增强自由层通过第二界面的PMA ;覆盖层27也可以包含金属氧化物。本发明所公开的自由层26也可以具有合成反铁磁(SAF)结构，其包含有两层铁磁层，其通过例如为钴铁硼/钌/钴铁的非磁性反铁磁耦合层来加以隔离；于另一实施例中，自由层26可本质上就具有PMA，其包含有来自MT的LlO型合金，其中M为钯、铂、铱及其合金、T为铁、钴、镍及其合金；于又一实施例中，自由层36也可包含有多个薄层，其可表示为((Al/A2)n)，其中η小于6且Al为钴、钴铁或其合金，而A2为钯、铀、舒、铭、铱、镁、钼、锇、娃、银、镍络以及镍铁；或是Al为铁而Α2为隹凡。
[0034]较佳的，覆盖层27的材质为于自由层26中可以强化PMA的材料，例如可以为钌/钽、钽/钌、或是钌/钽/钌；进一步来说，包含有氧化镁的金属氧化物可用以作为覆盖层27的材料。于实施例中，当氧化镁同时作为穿隧阻障层25以及覆盖层27时，覆盖层27的氧化物的厚度可以最小化，或是其氧化状态降低至一定范围，从而能避免磁性隧穿接合的电阻一面积乘积(RA)值大幅增加。
[0035]如图4所示，本发明所公开的第二实施例保有第一实施例中的所有特征，更进一步来说，其于层状结构30与穿隧阻障层25之间插入例如为钽的打底层29以及材料可能为钴铁硼或钴铁硼/钴的过渡层24 ;换句话说，其形成有改进的参考层31，具有厚度大约为1.5埃的薄钽的打底层29接触于层状结构30的最上方的磁性子层的上表面，过渡层24接触于穿隧阻障层25的下表面，且铁磁耦合于参考层堆栈的最上方的层22d。此第二实施例的优点在于，由于钴铁硼层设置于邻近穿隧阻障层25，从而能实现较高磁阻率，换句话说，因为两个磁性层22d、24形成于靠近自由层26而形成铁磁耦合，使得其相较于第一实施例能于自由层26运用更高的偶极场。较佳的，非结晶型态的钴铁硼过渡层24会经过沉积后退火处理的过程中达到结晶为面心立方堆积结构，从而能增加穿隧式磁阻率，尤其是当邻接于(100)平面的氧化镁穿隧阻障层25时。钴铁硼层的厚度选择介于6埃?14埃之间，此为具有高磁阻率的厚层以及致能PMA来提供高抗磁性的薄层中间的折衷，如此一来，参考层的抗磁性(He)会大于自由层的抗磁性，如此一来，参考层31则能提供高抗磁性以及高PMA，其中薄打底层29则用以负责提供良好的电性并能贡献高磁阻率。
[0036]图5为本发明所公开的第三实施例，其具有上自旋阀的配置的磁性隧穿接合，并使用如前述的层状参考层结构，除了自由层26与层状参考层30位置对调外，其余皆与图3相同；于上自旋阀的实施例中，种子层21、自由层26、穿隧阻障层25、层状参考层30以及覆盖层27依序形成于基板20上。
[0037]本发明的第四实施例绘示于图6，图6为对图5中的上自旋阀设计进行改进，包含有钴铁硼或钴铁硼/钴的过渡层24接触于穿隧阻障层25的上表面，钽打底层29接触于层状结构30的最下方的磁性子层22a与过渡层24之间；于本实施例中，钽打底层29也可作为种子层来增进覆盖参考层的平滑度。
[0038]磁性隧穿接合堆栈的所有层都可以通过溅镀系统来加以形成，例如为Ane I vaC-7100薄膜溅镀系统或是其他包含物理气相沉积腔室、氧化腔室、溅镀蚀刻腔室的系统；一般而言，溅镀步骤涉及了具有超高真空的氩溅镀气体以及使用金属或合金制作的钯材来沉积于基板上。磁性隧穿接合堆栈的所有层都是通过溅镀系统以单抽真空来制作而提升生产力。
[0039]磁性隧穿接合堆栈的所有层都完成后，会于温度约300?400°C持续2分钟至I小时来进行退火，于退火步骤中无需施加磁场，因为PMA已经由磁性子层穿过相邻的非磁性空间隔层的界面来导入，此外，由于复合种子层21于前面第一、二实施例中的(111)界面，已经使得磁性子层的PMA强化。
[0040]接着，进行现有的光阻图样与蚀刻步骤，来形成多个磁性隧穿接合元件阵列，然后，可以沉积绝缘层来充填于相邻磁性隧穿接合元件间的空隙，绝缘层一般可通过化学机械抛光程序来平面化而具有上表面，且其与覆盖层共面；然后在接下来步骤中，会形成上电极(导线阵列)于绝缘层上，并接触于磁性隧穿接合元件的覆盖层，前面所提及的步骤程序皆为现有技术中的步骤，因此在此不予以详述。
[0041]例一:
[0042]为了展示本发明的可行性，完整的结构制作于硅晶圆上，其所备制的第一结构具有下列配置，其中数字为其厚度:硅/氧化硅/钽50/镁7/镍铬50/[钴8.5/钌4] 10/钽20/钌50 ;于此例子中，硅/氧化硅为基板，钽/镁/镍铬为复合种子层，钽/钌可作为覆盖层；但其并未包含有穿隧阻障层以及自由层，因为本实验的用意为于显示层状(钴/钌)X堆栈结构于X等于10的反铁磁耦合的现象；此用以测试的堆栈层于400°C持续30分钟来进行退火。
[0043]图7为磁光柯尔试验，其信号绘示于垂直轴，水平轴为磁场(field)，其大小范围大约为-18000至+18000奥思特(Oe)，垂直轴的数值(转动角度)正比于垂直于第一测试结构的平面方向的净磁矩，当磁矩到达+15000奥思特，会因为每个子层的磁化开始剪断或是转向而无法获得净磁矩。因此，于图7中的水平区域表示合成反铁磁完全补偿的状况。
[0044]第二测试结构与前面第一测试结构相同的配置与制造，除了层状(钴/钌)10堆栈结构中的每一个钴层的厚度增加为11埃，而其他层的厚度与退火的步骤与上面描述相同。图8显示第二结构的磁光柯尔试验的结果，磁场为O时，仍有少许的磁矩，其意味着合成反铁磁无法如同上面例子般予以完全补偿；进一步来说，剪断的现象将会降低置大概磁场为+10000奥思特。自旋翻转于磁化翻转置反向信号，并且约为O净磁矩，指示出每一子层具有反向平行于最接近的磁性子层的磁矩，实验数据证实了包含有(钴/钌)X或类似的层状参考层将会于磁性隧穿接合结构的自由层施加概略降低或是可忽略的偶极场，此外，于此层状薄膜也能了解强力的PMA特性。
[0045]例二
[0046]第三测试结构结合本发明所公开的层状参考层于磁性隧穿接合来加以建立，本例子展示了具有磁性隧穿接合设计的层状参考层的兼容性，并且提供具尺寸为60?120纳米的图样化的MTJ堆栈的实际结果。磁性隧穿接合配置如下:氮化钽20/镁7/镍铬50/[钴/钌1.5] 10/钴6/钽1.5/钴20铁60硼208/氧化镁/钴20铁50硼3017/氧化镁；于本例子中，根据本发明的第二实施例，其中氮化钽/镁/镍铬为复合种子层、(钴/钌)10/钴为层状参考层、钽为打底层、钴铁硼为过渡层。而第二个硼化钴铁层作为自由层、第二个氧化镁层用以做覆盖层，两个氧化镁层的厚度分别为10埃以及15埃。
[0047]过渡层的钴铁硼合成物设定为钴20 %、铁60 %、硼20 %，其可理解当铁含量增加时，例如为钴10%、铁70%、硼20%时，在固定厚度时其贡献度会增加，进一步来说，抗磁性与偶极场都会随着铁含量的增加而变大；另一方面，当硼含量提高时，例如将钴20铁60硼20替换为钴20铁50硼30，则其贡献度会下降，使得抗磁性与偶极场随着下降。因此，复合参考层的过渡层的钴铁硼合成物可以视为额外弹性的偶极场调整因子，较佳的，钴铁硼层的铁含量大于20分子百分比，而硼含量介于10?40分子百分比。
[0048]如图9所示，其绘示具有第三测试结构配置的70纳米圆形MTJ装置的磁阻对应磁场的示意图，同样的，垂直轴的数值正比于垂直于平面方向的净磁矩，且其单位为阻抗(奥姆-平方公分)。因为层状参考层并没有于施加磁场-3000?+3000奥思特间切换，因此所观察到的切换属于自由层，当层状参考层包含有磁性隧穿接合元件，且磁性隧穿接合